<Desc/Clms Page number 1>
Réservoir à combustible.
@
La présente invention concerne des réservoirs à combustible pour moteurs thermiques.
L'utilisation d'hydrogène comme combustible et comme flui- de de travail dans certains types de moteurs thermiques offre deux avantages significatifs sur d'autres agents réactifs, Premièrement, le pouvoir calorifique de l'hydrogène mesuré en Kcal/Kg ou en d'au- tres unités avantageuses, est notablement supérieur à celui d'autres combustibles;
et deuxièmement, grâce à sa chaleur spécifique relati- vement élevée, il est thermodynamiquement possible et, dans certains
<Desc/Clms Page number 2>
cas avantageux, d'établir et de maintenir la combustion de l'hydrogè- ne à un rapport de mélange combustible-air notablement plus riche que le rapport chimiquement idéal ou stoechométrique, le produit de cette combustion étant un fluide de travail à haute température de capacité calorifique exceptionnellement élevée, Dans des cycle* thermodynamiques utilisés, par exemple, dans des moteurs thermiques de propulsion à réaction) un autre avantage que l'on peut obtenir en utilisant de l'hydrogène comme combustible est dû au fait que, dans des conditions aérodynamiques approprié,.,
une détonation continue auto-entretenu. d'un mélange d'hydrogène et d'air peut être établi*, le produit chauffé de cette détonation étant détendu vers 1 arrière d'une tuyère aérothermodynamique appropriée pour produire une poussée propulsive détirée, par exemple comme décrit dans le brevet belge de la Demanderesse n*608*871.
On gros inconvénient accompagne cependant les avantages précités de l'utilisation d'hydrogène comme combustible et fluide de travail et empêche dans une grande mesure l'adoption plus généra- le de l'hydrogène comme combustible pour des dispositifs propulseurs à réaction utilisés dans des véhicules; à savoir, la densité extrême- ment basse de l'hydrogène dans son état normalement gazeux. Par sui- te de cette faible densité, les réservoirs qui doivent oontenir une quantité d'hydrogène pendant une période de combustion raisonnable quelconque tendent à être excessivement grands.
Cet inconvénient peut être atténué dans une certaine mesure au moyen de réservoirs spéciaux dans lesquels l'hydrogène est stocké en phase gazeuse à une pression surcritique ou en phase liquide à des températures cryogéni- ques. Cependant, même lorsqu'on utilise ces expédients, la densité de l'hydrogène contenu est encore inférieure à la densité souhaitable et son pouvoir calorifique, mesuré en kcal/m3 (plutôt qu' en koal/kg) ne s'approche pas de celui de la plupart des combustibles hydrocar- bonds connus.
Comme le volume ou l'espace total occupé par un cir- cuit de combustible donné, ainsi que le poids du combustible y conte- nu, peuvent être d'une importance critique dans la construction du
<Desc/Clms Page number 3>
groupe propulseur et du véhicule, l'inconvénient inhérent à la den- site relativement faible de l'hydrogène peut proscrire son utilisa- tion dans bon nombre d'applications dans lesquelles son pouvoir ca- lorifique et sa chaleur spécifique élevée seraient autrement très souhaitables.
Ainsi, suivant une particularité de la présente invention, un réservoir à combustible comprend un récipient isolé comportant une sortie et contenant de l'hydrogène en phase solide, D'une fa- çon spécifique, le réservoir de combustible peut comprendre une en- veloppe isolée à double paroi contenant de l'hydrogène solide, l'en-! veloppe comportant une sortie et étant pourvue entre ses parois de moyens pour introduire de la chaleur dans l'enveloppe ou l'éva- cuer de celle-ci.
Un serpentin de chauffage électrique peut être placé entre les parois (par exemple autour de la paroi Intérieure) et comporte une borne de connexion placée à l'extérieur de la paroi extérieure.
De plus, un passage pour l'agent de transfert de la chaleur fluide peut être placé entre les parois. Le passage peut comprendre une conduite enroulée autour de la paroi intérieure de l'enveloppe.
L'invention procure également un procédé pour remplir d'hydrogène en phase solide un réservoir à combustible suivant le- quel on évacue l'enveloppe du réservoir, on la refroidit en faisant passer un agent de refroidissement dans un passage tout proche du réservoir et on introduit de l'hydrogène gazeux ou liquide dans le réservoir par une conduite d'entrée.
De plus, suivant une autre particularité de l'invention, un groupe propulseur comprend un moteur brûlant de l'hydrogène, un réservoir à combustible pour de l'hydrogène en phase solide, un dispositif pour convertir l'hydrogène de la phase solide à la phase liquide ou gazeuse et un dispositif pour transférer l'hydrogène con- verti au moteur.
Un réservoir à combustible du type spécifié peut être
<Desc/Clms Page number 4>
incorporé dans le groupe propulseur et dans ce cas la sortie du ré- servoir est raccordée à l'entrée d'un échangeur de chaleur (appelé ci-après le premier échangeur de chaleur) et la sortie du premier échangeur de chaleur est raccordée à une première extrémité du pas- sage, une seconde extrémité du passage communiquant directement ou indirectement avec le acteur.
On ou plusieurs autres échangeurs de chaleur peuvent être prévus entre la seconde extrémité du passage et le moteur pour ré. chauffer davantage l'hydrogène, et l'hydrogène provenant du réser- voir peut être envoyé dans le premier échangeur de chaleur pendant son passage de la seconde extrémité du passage au moteur pour ser- vir d'agent de chauffage dans le premier échangeur de chaleur.
Le réservoir peut être chargé d'hydrogène en raccordant sa sortie à une source d'hydrogène appropriée en phase liquide ou gazeuse, et cet hydrogène peut être congelé en phase solide sur pla- ce en raccordant le passage pour l'agent de transfert de la chaleur à un appareil réfrigérateur approprié tel qu'un cryostat à hélium.
Comme l'hydrogène subit une augmentation de densité d'environ 25% pendant son passage de la phase liquide à 20*K à la phase solide à 14 K, la conduite par laquelle l'hydrogène est introduit dans l'en- veloppe intérieure du réservoir est de préférence placée près de la partie supérieure de celle-ci, de manière à permettre à la partie inférieure de l'enveloppe de se remplir progressivement d'hydrogène solide; ainsi, en plaçant et en construisant judicieusement cette con- duite, il est possible d'obtenir un remplissage en substance complet de l'enveloppe de manière à tirer profit au maximum de la densité accrue et simultanément de la capacité de stockage accrue offerte par la réduction de l'hydrogène en phase solide.
Lorsque les pro- cossus de remplissage et de congélation désirés sont achevés, on peut détacher les conduites de chargement et de réfrigération et transférer le réservoir à bord du véhicule dans lequel l'hydrogène combustible doit être utilisé, les raccords rapidement détachables
<Desc/Clms Page number 5>
prévue sur la sortie du réservoir et sur le passage pour l'agent de transfert de la chaleur étant raccordés à des raccords corres- pondants bord du véhicule.
Lorsque le réservoir est installé à bord d'un véhicule, on raccorde sa sortie pour alimenter le groupe propulseur du véhicule d'hydrogène gazeux, le passage étant raccordé à un dispositif échan- geur de chaleur* approprié à bord du véhicule, de sorte que la cha- leur ambiante peut être transférée à l'enveloppe intérieure du réser- voir à une allure suffisante pour faire passer l'hydrogène y contenu de la phase solide à la phase liquide ou gazeuse suivant les besoins en combustible du groupe propulseur.
Comme l'hydrogène congelé forme un évacuateur de chaleur de capacité relativement grande, et comme le fonctionnement de véhi- oules à grande vitesse impose des exigences nombreuses et sévères pour dissiper les charges thermiques indésirables, la présente inven- tion envisage d'utiliser avantageusement l'hydrogène comme agent de refroidissement ou de transfert de la chaleur ainsi que comme combus- tible.
Sous ce rapport, il est à remarquer qu'en stockant ou en em- magasinant l'hydrogène en phase solide, on augmente matériellement sa capacité de refroidissement non seulement par la masse supen- taire d'hydrogène rendue disponible par la densité accrue de cette phase, mais également par la chaleur de fusion notable qui devient disponible pour le refroidissement lorsque l'hydrogène est reconver-- ti de la phase solide à la phase liquide et, en outre, par la cha- leur de vaporisation qui est dégagée par le passage ultérieur de la phase liquide à la phase gazeuse.
L'invention peut être mise en pratique de différentes façons, une forme d'exécution spécifique en sera décrite ci-après, à titre d'exemple, avec référence aux dessins annexés, dans lesquels: la fig. 1 est une vue en plan schématique, en partie arra- chée, d'un appareil d'aviation comportant un réservoir à combusti- ble suivant l'invention; la fig. 2 est une coupe longitudinale du réservoir à combus- tible représenté sur la fie. 1;
<Desc/Clms Page number 6>
la fin. 3 est un schéma synoptique illustrant un procédé pour charger un réservoir à combustible suivant l'invention; et, la fig. 4 est un schéma synoptique illustrant un procédé pour décharger le combustible du réservoir dans un groupe propulseur de véhicule.
La fig. 1 représente un appareil d'aviation hypersonique
10 en forme de tête de flèche en plan, la partie médiane ou le fuse- lage de l'appareil étant pourvu d'un réservoir à combustible 11 ser- vant à alimenter d'hydrogène combustible un moteur de propulsion thermique (nonreprésenté) qui peut, par exemple, être une tuyère séro thermodynamique hypersonique du type décrit dans le brevet belge n 608.871. Le réservoir à combustible 11 comprend une enveloppe inté- rieur* 12 et une enveloppe extérieure à double paroi 13 espacée de 14 première pour délimiter une chambre intermédiaire 14,
les enveloppes 12 et 13 étant de construction étanche au fluide pour empêcher toute fuite d'hydrogène et pour permettre d'évacuer la chambre Intermédiaire 14 afin d'empêcher tout transfert de chaleur par con- vection t par conduction. De plus, la surface extérieure de l'en- veloppe 12 et la surface intérieure de l'enveloppe 13 présentent de préférence un fini spéculaire ou autrement fortement réflecteur, qui s'oppose à un transfert de chaleur par rayonnement dans la chambre 14.
Le transfert de la chaleur ambiante à l'enveloppe inté- rieurs 12 est également empêché par la construction à double paroi de l'enveloppe extérieure 13 dont la paroi intérieure 26 et la paroi extérieure 27 sont séparées par un Intervalle isolant qui peut être évacué ou bourré de matière isolante telle que de la perlite évacuée.
Une forme d'isolation particulièrement avantageuse pour cette appli- cation comprend des couches alternées et bien serrées de feuilles métalliques spéculaires et de fibres de verre feutrées.
Une conduite d'alimentation 16 est placée longitudinalement près de la partie supérieure de l' enveloppe intérieure et se termi- ne en un raccord rapidement détachable 17 placé à l'extérieur de
<Desc/Clms Page number 7>
l'enveloppe extérieure 13* La partie de la conduite située à l'in- térieur de l'enveloppe est percée de plusieurs petits trous axiale- cent espacés 18 permettant au fluide de pénétrer dans l'enveloppe.
On passage échangeur de chaleur 20 est enroulé pour former une hélice qui épouse le profil extérieur de l'enveloppe intérieure et qui est en relation de transfert de la chaleur avec cette enveloppe. Les extrémités du serpentin sont pourvues de rac- cords se détachant rapidement 21 et 22 placés à l'extérieur de l'en- veloppe extérieure 13 et grâce auxquels le passage 20 peut être raccordé en circuit avec un appareil de transfert de chaleur approprié pour faire circuler un agent échangeur de chaleur fluide, comme décrit ci-après.
Afin d'assister la fonction de chauffage du passage échangeur de chaleur 20 etde surmonter des délais inévita- bles dans la réponse d'autres parties d'un circuit de transfert de ohnleur associé, un élément chauffant électrique 23 est également enroulé autour de l'enveloppe 12 en relation d'échange de chaleur aveo celle-ci entre les spires du passage 20. L'élément chauffant est également pourvu d'une borne rapidement détachable 24 placée à l'extérieur de l'enveloppe 13 et destinée à être connectée à une alimentation de courant appropriée située à bord du véhicule dans lequel le réservoir à combustible 11 doit être utilisé.
La façon dont un réservoir à combustible suivant l'in- vention est chargé d'hydrogène, refroidi et installé pour être utilisé conjointement avec un groupe propulseur de véhicule est représentée sur les figs. 3 et 4. Sur la fig. 3, un réservoir à com bustible du type décrit est représenté schématiquement comme étant raccordé à une source d'hydrogène extérieure et à un appareil de réfrigération approprié qui peut être, par exemple, un cryostat à hélium.
Comme le montrent les dessins, la conduite d'alimentation d'hydrogène intérieure 16 du réservoir à combustible 11 est raccorde au moyen du raccord rapidement détachable 17 à une conduite extérieur re 30 comportant des branchements 31 et 32 qui communiquent, respec- tivement, avec une pompe à vide 33 via une vanne d'isolement 35
<Desc/Clms Page number 8>
et avec une source d'hydrogène 34 via une vanne d'isolement 36. On ! cryostat à hélium 40 est raccordé au moyen de conduites extérieures 41 et 42 et des raccords rapidement détachables 21 et 22 au passage échangeur de Chaleur 20 à l'intérieur du réservoir de combustible 11.
Pour charger le réservoir à combustible 11 d'hydrogène en phase solide, on commence par évacuer l'enveloppe intérieure 12 au moyen de la pompe à vide 33, la vanne 35 étant ouverte et la vanne 36 fermée pendant cette partie du cycle. Lorsque tout le gaz atmos- phérique ou d'autres gaz résiduels ont été évacués de l'enveloppe intérieure 12 du réservoir à combustible 11, on ferme la vanne 3S et on prérefrodit l'enveloppe intérieure au moyen du cryostat 40, qui fait circuler de l'hélium à basse température dans le passage échangeur de chaleur intérieur 20 jusqu'à ce qu'une température peu élevée désirée, par exemple 10 K, ait été obtenue.
On ouvre ensuite la vanne 36 de manière à placer l'alimentation d'hydrogène 34 en com- munication avec la conduite d'alimentation intérieure 16, l'hydrogène fluide qui pénètre alors dans l'enveloppe intérieure 12 étant refroi- di par transfert de chaleur avec sa paroi refroidie à l'hélium. Il est clair, évidemment, que quoique la source d'hydrogène 34 ait été représentée, uniquement pour l'illustration, comme comprenant plu- sieurs réservoirs ou bouteilles qui sont couramment utilisés pour stocker des fluides à l'état gazeux, d'autres moyens d'alimentation dans lesquels de l'hydrogène est stocké d'une façon cryogénique sous forme de liquide peuvent évidemment être utilisés.
De plus, les con- duites 30 et 32 peuvent comprendre des échangeurs de chaleur supplé- mentaires grâce auxquels l'hydrogène qui circule dans ces conduites peut être prérefroidi à une température approchant de la limite infé- rieure de la phase liquide, ces moyens connus étant omis dans les dessine pour la clarté.
Comme l'hydrogène pénètre dans l'enveloppe intérieure 12 et est refroidi par échange de chaleur avec la paroi de cette enve- loppe refroidie à l'hélium, il passe progressivement en phase solide
<Desc/Clms Page number 9>
et l'hydrogène précipité se dépose, par suite de sa densité, dans la. partie inférieure de l'enveloppe où. il se coagule en une masse solide de "glace" d'hydrogène.
Une masse d'hydrogène solide aug- mentant continuellement s'accumule ainsi dans la partie Intérieure de l'enveloppe et, comme de l'hydrogène fluide supplémentaire est introduit dans l'enveloppe, la surface supérieure de la masse gelée monte progressivement jusqu'à atteindre le niveau de la conduite intérieure 16. Lorsque le débit par les ouvertures 18 ménagées dans la paroi de la conduite 16 a été entièrement coupé par la con- densation de l'hydrogène en phase solide tout près de cette conduite, le réservoir à combustible 11 est complètement chargé et est prêt à être transféré à bord du véhicule dans lequel il doit être utilisé.
Il est clair cependant que ce transfert ne doit pas être effectué immédiatement parce que la structure Isolante de l'enveloppe exté- rieure 13 permet de conserver le réservoir à combustible 11 à l'état complètement chargé pendant une période prolongée, la charge réfrigé- rante imposée au cryostat à hélium 40 par cette conservation étant minime.
Une installation du réservoir à combustible chargé desti- nde à être utilisée avec un groupe propulseur de véhicule est repré- sentée schématiouement sur la fige 4 et on supposera, aux fins de la description suivante, que cette installation est incorporée dans un appareil d'aviation hypersonique représenté par exemple sur la fig.l.
La conduite d'alimentation d'hydrogène intérieure 16 est raccordée par le raccord rapidement détachable 17 à une conduite de remise en circulation extérieure 54 qui comprend un échangeur de chaleur 55 grâce auquel de la chaleur peut être transférée à l'hydrogène pas- sant dans l'échangeur de chaleur, cette chaleur étant fournit par une source environnante en substance comme décrit ci-après. La va- peur d'hydrogène chauffée par l'échangeur 55 est amenée via une con- duite 56 et le raccord rapidement détachable 22 au passage d'échange de chaleur intérieur 20 et ainsi, via le raccord rapidement détacha- ble 21, à une conduite extérieure 57.
Dans le passage d'échange
<Desc/Clms Page number 10>
de chaleur intérieur 20, la chaleur acquise par l'hydrogène dira l'échangeur de chaleur extérieur 55 est transférée au contenu de l'enveloppe intérieure 12, faisant ainsi passer une partie de l'hy- drogène qui y est stocké de la phase solide à la phase gazeuse;
1'hydrogène gâteux résultant est envoyé via la conduite d'alimenta- tion 16 dans la conduite de recirculation 54 pour entretenir le cy- cle décrit. L'hydrogène débité par le passage d'échange de chaleur intérieur 20 dans la conduite intérieure 57 est amené, via une vanne régulatrice de débit 58, à un second échangeur de chaleur extérieur
59 dans lequel la température de l'hydrogène est à nouveau élevée par transfert de chaleur ambiante.
Ainsi, l'échangeur de chaleur
59 peut comprendre un dispositif de refroidissement superficiel pour dissiper la chaleur produite aérodynamiquement dans la région de la surface extérieure d'un appareil d'aviation, un élément d'un dispositif de réglage d'ambiance pour la cabine de l'équipage, un dispositif pour dissiper la chaleur produite par l'équipement électrJ que et de commande ou un autre appareil pour dissiper une charge ther. mique de grandeur appropriée calculable.
L'hydrogène chauffé débité per l'échangeur de chaleur 59 est' son tour amené par une conduite 60 au premier échangeur de cha' leur extérieur 55 dans lequel sa capacité calorifique est transférée à l'hydrogène expulsé de l'enveloppe intérieure 12 via la conduite d'alimentation 16 et la conduite de recirculation 54' L'hydrogène qui est expulsé de l'échangeur de chaleur 55 via la conduite 56 est donc à une température relativement élevée,
ce qui est souhaitable pour vaporiser le contenu du réservoir à combustible 11 et l'hydrogè- ne qui est expulsé de l'échangeur de chaleur 55 par le passage 65 est a une température relativement basse et peut avantageusement être utilisé pour remplir les fonctions de réfrigération ou de réglage d'ambiance désirées. L'hydrogène relativement froid débité par l'é- changeur de chaleur 55 est par conséquent amené vie la conduite 65 à un troisième échangeur de chaleur extérieur 66 dans lequel il est à nouveau chauffé, comme dans l'échangeur de chaleur 59 par un ap-
<Desc/Clms Page number 11>
port de chaleur ambiante dans une gamme de températures désirée pour être envoyé via une conduite 67 à un moteur thermique de pro- pulsion 70 dans lequel il est brûlé.
Sur la fig. 4, le moteur ther- mique 70 est représenté schématiquement comme comprenant une tuyère aérothermodynamique du type décrit dans le brevet belge précité; cependant, il est clair que l'invention peut également être utilisée avec d'autres types de moteurs thermiques.
Comme le montre la fig. 4, le réservoir à combustible 11 est pourvu d'une valve de décompression appropriée 72 par laquelle la vapeur d'hydrogène superflue peut être évacuée, par exemple via i un évent extérieur approprié (non représenté). De plus, un appareil manométrique approprié 73 donne une indication visible de la pression de l'hydrogène pour renseigner l'équipage de l'appareil et peut être relié à l'appareil de dommande 74 de façon que la position de la valve régulatrice de débit 58 puisse être déterminée par un débit de combustible désiré vers le moteur thermique 70.
Il ressort de cette description du cycle qu'aussi long- temps qu'une source de chaleur ambiante adéquate est disponible pour être transférée à l'hydrogène gazeux dans l'échangeur de cha- leur 59, le cycle décrit plus haut est auto-entretenu et se poursuit jusqu'à, ce qu'il soit volontairement arrêté par la fermeture de la vanne 58 ou jusqu'à ce que la réserve d'hydrogène dans le réservoir 11 soit épuisée. Afin d'amorcer le cycle, il est cependant souhai- table de prévoir une source de chaleur permettant de vaporiser rapi- dement une partie de l'hydrogène solide contenu dans le réservoir à combustible.
Pour cette raison, l'élément chauffant 23 est prévu et est connecté au moyen de la borne à déconnexion rapide 24 et d'un câble 76 à une alimentation de courant électrique 75, de façon à pouvoir être mis en et hors circuit à volonté.
Ainsi, lorsque le véhicule dans lequel le réservoir de combustible est installé a atteint une vitesse à laquelle il est souhaitable d'utiliser le moteur de propulsion thermique 70, on peut mettre l'élément chauffant
<Desc/Clms Page number 12>
23 en circuit pour amorcer la circulation de l'hydrogène gazeux dans le circuit des échangeurs de chaleur intérieurs et extérieurs et, lorsque cette circulation a atteint un état d'auto-entretien, on peut mettre l'élément chauffant hors circuit.
Il est clair évi- demment que l'élément chauffent 23 peut également être utilisé pour renforcer le passage change de chaleur intérieur 20 lorsque la demande de combustible du moto= thermique 70 dépasse la capacité de vaporisation d'hydrogène du circuit de transfert de chaleur com- prenant le passage 20 et les échangeurs de chaleur extérieurs 55, 59 et 66 et, à cet effet, la source de courant 75 peut être rendue sensible à l'appareil régulateur de débit 74.
Il ressort clairement de la description qui précède que la présente invention procure un procédé et un appareil nouveaux pour stocker de l'hydrogène en phase solide et pour l'utiliser par consé- quent comme combustible et fluide de travail pour un moteur thermi- quede propulsion.
EMI12.1
, E V EJ. R..J CA" 1 0 ,
1 - Réservoir à combustible, caractérisé en ce qu'il comprend un récipient isolé comportant une sortie et contenant de l'hydrogène en phase solide*
2 - Réservoir à combustible, caractérisé en ce qu'il compor- te une enveloppe isolée à double paroi contenant de l'hydrogène solide, l'enveloppe comportant une sortie et étant pourvue entre ses parois de moyens pour introduire de la chaleur dans l'enveloppe ou pour l'évacuer de celle-ci.
<Desc / Clms Page number 1>
Fuel tank.
@
The present invention relates to fuel tanks for heat engines.
The use of hydrogen as a fuel and as a working fluid in certain types of heat engines offers two significant advantages over other reactive agents, First, the calorific value of hydrogen measured in Kcal / Kg or in d ' other advantageous units, is notably superior to that of other fuels;
and secondly, thanks to its relatively high specific heat, it is thermodynamically possible, and in some
<Desc / Clms Page number 2>
advantageously, to establish and maintain the combustion of hydrogen at a fuel-air mixture ratio notably richer than the chemically ideal or stoichiometric ratio, the product of this combustion being a working fluid at high temperature of exceptionally high heat capacity, In thermodynamic cycles * used, for example, in jet propulsion heat engines) another advantage that can be obtained by using hydrogen as fuel is due to the fact that, under conditions appropriate aerodynamics,.,
a continuous self-sustaining detonation. of a mixture of hydrogen and air can be established *, the heated product of this detonation being expanded towards the rear of a suitable aerothermodynamic nozzle to produce a stretched propellant thrust, for example as described in the Belgian patent of the Applicant n * 608 * 871.
There is, however, a great disadvantage accompanying the aforementioned advantages of the use of hydrogen as a fuel and working fluid and to a great extent preventing the more general adoption of hydrogen as a fuel for jet propellants used in vehicles. ; that is, the extremely low density of hydrogen in its normally gaseous state. As a result of this low density, tanks which must hold a quantity of hydrogen during any reasonable burn period tend to be excessively large.
This disadvantage can be alleviated to some extent by means of special tanks in which the hydrogen is stored in the gas phase at supercritical pressure or in the liquid phase at cryogenic temperatures. However, even when using these expedients, the density of the hydrogen contained is still lower than the desirable density and its calorific value, measured in kcal / m3 (rather than in koal / kg) does not approach that. of most known hydrocarbon fuels.
As the volume or total space occupied by a given fuel circuit, as well as the weight of the fuel contained therein, can be of critical importance in the construction of the fuel system.
<Desc / Clms Page number 3>
powerplant and vehicle, the inherent disadvantage of hydrogen's relatively low density may preclude its use in many applications where its high calorific value and specific heat would otherwise be highly desirable.
Thus, according to a feature of the present invention, a fuel tank comprises an insulated container having an outlet and containing hydrogen in solid phase. Specifically, the fuel tank may comprise an insulated casing. double-walled container containing solid hydrogen, the en-! casing comprising an outlet and being provided between its walls with means for introducing heat into the casing or evacuating it therefrom.
An electric heating coil can be placed between the walls (eg around the inner wall) and has a connection terminal placed outside the outer wall.
In addition, a passage for the fluid heat transfer agent can be placed between the walls. The passage can include a pipe wound around the inner wall of the casing.
The invention also provides a method for filling a fuel tank with solid phase hydrogen, in which the shell of the tank is evacuated, cooled by passing a cooling medium through a passage close to the tank and introduces gaseous or liquid hydrogen into the tank through an inlet pipe.
In addition, according to another feature of the invention, a propellant comprises an engine burning hydrogen, a fuel tank for solid phase hydrogen, a device for converting hydrogen from the solid phase to the solid phase. liquid or gas phase and a device for transferring the converted hydrogen to the engine.
A fuel tank of the specified type can be
<Desc / Clms Page number 4>
incorporated in the propellant and in this case the outlet of the tank is connected to the inlet of a heat exchanger (hereinafter referred to as the first heat exchanger) and the outlet of the first heat exchanger is connected to a first end of the passage, a second end of the passage communicating directly or indirectly with the actor.
One or more other heat exchangers may be provided between the second end of the passage and the motor for re. further heat the hydrogen, and the hydrogen from the tank can be sent to the first heat exchanger as it passes from the second end of the passage to the engine to serve as a heating medium in the first heat exchanger .
The reservoir can be charged with hydrogen by connecting its outlet to a suitable source of hydrogen in liquid or gas phase, and this hydrogen can be frozen in solid phase on site by connecting the passage for the transfer agent of the gas. heat to a suitable refrigerating device such as a helium cryostat.
As hydrogen undergoes an increase in density of about 25% during its transition from the liquid phase at 20 ° K to the solid phase at 14 K, the conduit through which the hydrogen is introduced into the inner shell of the the reservoir is preferably placed near the upper part thereof, so as to allow the lower part of the casing to gradually fill with solid hydrogen; thus, by judiciously placing and constructing this duct, it is possible to obtain a substantially complete filling of the envelope so as to take maximum advantage of the increased density and simultaneously of the increased storage capacity offered by the enclosure. reduction of hydrogen to solid phase.
When the desired filling and freezing process is completed, the charging and refrigeration lines can be disconnected and the tank transferred to the vehicle in which the hydrogen fuel is to be used, the fittings quickly detachable.
<Desc / Clms Page number 5>
provided on the outlet of the tank and on the passage for the heat transfer medium being connected to corresponding fittings on the vehicle.
When the tank is installed on board a vehicle, its outlet is connected to supply the propellant of the vehicle with gaseous hydrogen, the passage being connected to a suitable heat exchanger * device * on board the vehicle, so that ambient heat can be transferred to the inner shell of the tank at a rate sufficient to transfer the hydrogen contained therein from the solid phase to the liquid or gas phase depending on the fuel requirements of the propellant.
Since frozen hydrogen forms a heat evacuator of relatively large capacity, and since the operation of high speed vehicles places many and severe requirements for dissipating unwanted heat loads, the present invention contemplates the advantageous use of the gas. hydrogen as a coolant or heat transfer agent as well as a fuel.
In this connection, it should be noted that by storing or storing hydrogen in the solid phase, its cooling capacity is materially increased, not only by the additional mass of hydrogen made available by the increased density of this hydrogen. phase, but also by the appreciable heat of fusion which becomes available for cooling when the hydrogen is reconverted from the solid phase to the liquid phase and, in addition, by the heat of vaporization which is given off by the subsequent passage from the liquid phase to the gas phase.
The invention can be put into practice in different ways, a specific embodiment will be described below, by way of example, with reference to the accompanying drawings, in which: FIG. 1 is a schematic plan view, partly cut away, of an aircraft apparatus comprising a fuel tank according to the invention; fig. 2 is a longitudinal section of the fuel tank shown in the figure. 1;
<Desc / Clms Page number 6>
the end. 3 is a block diagram illustrating a method for charging a fuel tank according to the invention; and, FIG. 4 is a block diagram illustrating a method for discharging fuel from the tank into a vehicle powertrain.
Fig. 1 represents a hypersonic aircraft
10 in the form of an arrowhead in plan, the median part or the fuselage of the apparatus being provided with a fuel tank 11 serving to supply fuel hydrogen to a thermal propulsion engine (not shown) which can , for example, to be a hypersonic thermodynamic sero nozzle of the type described in Belgian Patent No. 608,871. The fuel tank 11 includes an inner shell * 12 and a double-walled outer shell 13 spaced apart from 14 to define an intermediate chamber 14,
the shells 12 and 13 being of fluid-tight construction to prevent any leakage of hydrogen and to allow evacuation of the Intermediate chamber 14 to prevent any heat transfer by convection and conduction. In addition, the outer surface of the casing 12 and the inner surface of the casing 13 preferably have a specular or otherwise strongly reflective finish, which opposes radiant heat transfer into the chamber 14.
The transfer of ambient heat to the inner shell 12 is also prevented by the double-wall construction of the outer shell 13, the inner wall 26 of which and the outer wall 27 are separated by an insulating gap which can be vented or removed. stuffed with insulating material such as vented perlite.
A particularly advantageous form of insulation for this application comprises alternating and tightly packed layers of specular metal foils and felted glass fibers.
A supply line 16 is placed longitudinally near the top of the inner casing and terminates in a quickly detachable fitting 17 placed outside the casing.
<Desc / Clms Page number 7>
the outer casing 13 * The part of the pipe located inside the casing is pierced with several small axially spaced holes 18 allowing fluid to enter the casing.
The heat exchanger passage 20 is wound to form a helix which follows the outer profile of the inner shell and which is in a heat transfer relationship with this shell. The ends of the coil are provided with quick-release couplings 21 and 22 placed outside the outer casing 13 and by which the passage 20 can be connected in circuit with a suitable heat transfer apparatus to make circulating a fluid heat exchange agent, as described below.
In order to assist the heating function of the heat exchanger passage 20 and to overcome unavoidable delays in the response of other parts of an associated engine transfer circuit, an electric heater 23 is also wound around the heat exchanger. envelope 12 in heat exchange relation therewith between the turns of passage 20. The heating element is also provided with a quickly detachable terminal 24 placed outside the envelope 13 and intended to be connected to a suitable power supply located on board the vehicle in which the fuel tank 11 is to be used.
The manner in which a fuel tank according to the invention is charged with hydrogen, cooled and installed for use in conjunction with a vehicle power train is shown in Figs. 3 and 4. In fig. 3, a fuel tank of the type described is shown schematically as being connected to an external hydrogen source and to a suitable refrigeration apparatus which may be, for example, a helium cryostat.
As shown in the drawings, the internal hydrogen supply line 16 of the fuel tank 11 is connected by means of the quickly detachable connector 17 to an external line 30 having branches 31 and 32 which communicate, respectively, with a vacuum pump 33 via an isolation valve 35
<Desc / Clms Page number 8>
and with a source of hydrogen 34 via an isolation valve 36. On! helium cryostat 40 is connected by means of external pipes 41 and 42 and quickly detachable fittings 21 and 22 to the heat exchanger passage 20 inside the fuel tank 11.
To charge the fuel tank 11 with solid phase hydrogen, the first step is to evacuate the inner shell 12 by means of the vacuum pump 33, the valve 35 being open and the valve 36 closed during this part of the cycle. When all the atmospheric gas or other residual gases have been evacuated from the inner casing 12 of the fuel tank 11, the valve 3S is closed and the inner casing is pre-cooled by means of the cryostat 40, which circulates low temperature helium in the indoor heat exchanger passage 20 until a desired low temperature, eg 10 K, has been achieved.
Valve 36 is then opened so as to place the hydrogen supply 34 in communication with the interior supply line 16, the fluid hydrogen which then enters the interior casing 12 being cooled by transfer of gas. heat with its wall cooled with helium. It is clear, of course, that although the hydrogen source 34 has been shown, for illustration only, as comprising several reservoirs or cylinders which are commonly used to store fluids in the gaseous state, other means feeders in which hydrogen is cryogenically stored as a liquid can of course be used.
In addition, lines 30 and 32 may include additional heat exchangers whereby the hydrogen flowing through these lines can be precooled to a temperature approaching the lower limit of the liquid phase, these known means. being omitted in the draws for clarity.
As the hydrogen enters the inner shell 12 and is cooled by heat exchange with the wall of this helium-cooled shell, it gradually changes to the solid phase.
<Desc / Clms Page number 9>
and the precipitated hydrogen is deposited, owing to its density, in the. lower part of the envelope where. it coagulates into a solid mass of hydrogen "ice".
A continuously increasing mass of solid hydrogen thus accumulates in the inner part of the envelope and, as additional fluid hydrogen is introduced into the envelope, the upper surface of the frozen mass gradually rises to reach the level of the interior pipe 16. When the flow through the openings 18 formed in the wall of the pipe 16 has been completely cut off by the condensation of the solid phase hydrogen very close to this pipe, the fuel tank It is fully charged and is ready to be transferred to the vehicle in which it is to be used.
It is clear, however, that this transfer does not have to be carried out immediately because the Insulating structure of the outer casing 13 allows the fuel tank 11 to be kept in the fully charged state for an extended period, the refrigerant charge. imposed on the helium cryostat 40 by this conservation being minimal.
An installation of the loaded fuel tank for use with a vehicle powertrain is shown schematically in Fig. 4 and it will be assumed, for the purposes of the following description, that this installation is incorporated into an aviation apparatus. hypersonic shown for example in fig.l.
The indoor hydrogen feed line 16 is connected via the quick-release coupling 17 to an outdoor recirculation line 54 which includes a heat exchanger 55 by which heat can be transferred to the passing hydrogen. the heat exchanger, this heat being supplied by a surrounding source in substance as described below. The hydrogen vapor heated by the exchanger 55 is supplied via a duct 56 and the quickly detachable connector 22 to the internal heat exchange passage 20 and thus, via the quickly detachable connector 21, to a. outside pipe 57.
In the exchange passage
<Desc / Clms Page number 10>
of interior heat 20, the heat acquired by the hydrogen will say the exterior heat exchanger 55 is transferred to the contents of the interior casing 12, thus passing some of the hydrogen stored therein from the solid phase in the gas phase;
The resulting foul hydrogen is passed via feed line 16 into recirculation line 54 to maintain the cycle described. The hydrogen delivered by the internal heat exchange passage 20 in the internal pipe 57 is supplied, via a flow regulating valve 58, to a second external heat exchanger
59 in which the temperature of the hydrogen is again raised by transfer of ambient heat.
Thus, the heat exchanger
59 may include a surface cooling device for dissipating heat generated aerodynamically in the region of the outer surface of an aviation apparatus, a part of an ambience control device for the crew cabin, a device to dissipate heat produced by electrical and control equipment or other apparatus for dissipating a ther charge. size of appropriate size calculable.
The heated hydrogen delivered by the heat exchanger 59 is in turn fed through a pipe 60 to the first external heat exchanger 55 where its heat capacity is transferred to the hydrogen expelled from the inner shell 12 via the supply line 16 and recirculation line 54 'The hydrogen which is expelled from the heat exchanger 55 via line 56 is therefore at a relatively high temperature,
which is desirable for vaporizing the contents of the fuel tank 11 and the hydrogen which is expelled from the heat exchanger 55 through the passage 65 is at a relatively low temperature and can advantageously be used to perform the refrigeration functions. or desired mood setting. The relatively cold hydrogen delivered by the heat exchanger 55 is therefore fed through the line 65 to a third external heat exchanger 66 where it is again heated, as in the heat exchanger 59 by an appliance. -
<Desc / Clms Page number 11>
port of ambient heat in a desired temperature range to be sent via a pipe 67 to a propulsion heat engine 70 in which it is burnt.
In fig. 4, the heat engine 70 is shown schematically as comprising an aerothermodynamic nozzle of the type described in the aforementioned Belgian patent; however, it is clear that the invention can also be used with other types of heat engines.
As shown in fig. 4, the fuel tank 11 is provided with a suitable pressure relief valve 72 through which superfluous hydrogen vapor can be vented, for example via a suitable external vent (not shown). In addition, a suitable manometric apparatus 73 gives a visible indication of the hydrogen pressure to inform the crew of the apparatus and can be connected to the control apparatus 74 so that the position of the flow regulating valve 58 can be determined by a desired fuel flow to the heat engine 70.
It is apparent from this description of the cycle that as long as an adequate ambient heat source is available for transfer to the hydrogen gas in heat exchanger 59, the cycle described above is self-sustaining. and continues until it is intentionally stopped by closing valve 58 or until the reserve of hydrogen in tank 11 is exhausted. In order to initiate the cycle, however, it is desirable to provide a heat source enabling a portion of the solid hydrogen contained in the fuel tank to be rapidly vaporized.
For this reason, the heating element 23 is provided and is connected by means of the quick disconnect terminal 24 and a cable 76 to a power supply 75, so that it can be switched on and off at will.
Thus, when the vehicle in which the fuel tank is installed has reached a speed at which it is desirable to use the thermal propulsion engine 70, the heating element can be turned on.
<Desc / Clms Page number 12>
23 on to initiate the circulation of hydrogen gas in the circuit of the indoor and outdoor heat exchangers and, when this circulation has reached a self-sustaining state, the heating element can be switched off.
It is evidently clear that the heating element 23 can also be used to reinforce the interior heat change passage 20 when the fuel demand of the thermal motor 70 exceeds the hydrogen vaporization capacity of the heat transfer circuit com - taking the passage 20 and the external heat exchangers 55, 59 and 66 and, for this purpose, the current source 75 can be made sensitive to the flow regulating apparatus 74.
It is clear from the foregoing description that the present invention provides a novel method and apparatus for storing solid phase hydrogen and therefore for use as a fuel and working fluid for a thermal propulsion engine. .
EMI12.1
, E V EJ. R..J CA "1 0,
1 - Fuel tank, characterized in that it comprises an insulated container having an outlet and containing hydrogen in solid phase *
2 - Fuel tank, characterized in that it comprises an insulated double-walled envelope containing solid hydrogen, the envelope comprising an outlet and being provided between its walls with means for introducing heat into the envelope or to evacuate it.